【正文】 Smith 預(yù)估補(bǔ)償控制器是建立在模型基礎(chǔ)上的一種控制算法，它能使具有大純滯后的系統(tǒng)具有更好的控制性能。通過曲線比較，可以看出，對于本設(shè)計中的換熱器對象模型，應(yīng)用 算是一 的實際 PID 控制時效果比較好，其調(diào)節(jié)時間和 超調(diào)量 優(yōu) 于其他兩種控制。 實際 PID 控制 系統(tǒng)仿真 理想微分 PID 控制的實際效果并不理想，因此，在實際應(yīng)用中，通常采用含有實際微分的 PID 控制算式。 4）人工整定 由以上結(jié)果可見，用這些經(jīng)典的方法算出的 PID 參數(shù)不一定能滿足控制要求，實際控制過程中，也是通過手動調(diào)節(jié)這些參數(shù)以獲得好的控制性能的。 如圖 中的曲線（ 2）所示， 超調(diào)量 σ％＝ 30％；峰值時間： tp=105s；調(diào)節(jié)時間 ts=750s。 經(jīng)計算 Kp=， Ki=， Kd=。 換熱器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下，輸出量為被控參數(shù)，傳感器把它測回到輸入端，與給定值比較，在由控制器 控制 執(zhí)行器對被控參數(shù)進(jìn)行操作。 圖 換熱器出口水溫在加熱蒸汽流量作用下的階躍響應(yīng)曲線 圖 階躍響應(yīng)仿真曲線 單回路控制系統(tǒng) 對控制品質(zhì)要求不高的應(yīng)用場合，多采用單回路控制，這也是目前蒸汽加熱換熱器的通常控制方案，如圖 所示。 (4) 得 出換熱器動態(tài)模型： sessG 53138 1)( ??? 式 () (5) 求得的 G(S)做階躍響應(yīng)仿真，與（ 2）中所 作曲線比較，是否吻合。故工程界常把對階躍干擾的響應(yīng)作為判別系統(tǒng)抗干擾能力好壞的標(biāo)準(zhǔn)，而且在熱工生產(chǎn)過程中，很多輸入擾動的形式接近于階躍變化，如閥門的一次開大或一次關(guān)小等 ；而且，階躍響應(yīng)的方法也是描述對象動態(tài)相應(yīng)最簡捷的一種方法，因此，在換熱器動態(tài)試驗中，輸入擾動常采用階躍變化的形式。 K、 T、τ參數(shù)的確定 由上節(jié)分析知道，換熱器動態(tài)特性的階數(shù)可 降階處理為“一階”，故僅需要對其特性參數(shù) K、 T、τ進(jìn)行辨識、確定。本次設(shè)計采用低階近似的方法處理復(fù)雜的高階模型，模型結(jié)構(gòu)的建立和參數(shù)求解依據(jù)經(jīng)驗或?qū)崪y數(shù)據(jù)估計，所建立模型有階次低、近似精度高的特點(diǎn)。而在工業(yè)生產(chǎn)過程中使用的熱交換器是屬于分布參數(shù)對象，具有①流體的溫度是距 離和時間的函數(shù)；②時滯和時間常數(shù)較大；③內(nèi)部過程的物理特性復(fù)雜，影響因素多等特點(diǎn)。 控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型通常是指動態(tài)數(shù)學(xué)模型。 在工業(yè)過程中，對受控對象的辨識又可分為兩類：一類是非參數(shù)模型辨識方法；一類是參數(shù)模型辨識方法。解析法把被控對象分解為若干子系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，分別根據(jù)物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)以及其它有關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科的定律、公式，考慮到各個環(huán)節(jié)之間的相互聯(lián)系，推導(dǎo)出被控對象的數(shù)學(xué)模型。在這種情況下，控制過程的超調(diào)量及過渡過程時間必然較大。顯然，在沿管子水流方向的溫度分布是不同的，故是一種具有分布參數(shù)的對象。溫度的設(shè)定值通過調(diào)節(jié)器的給定元件給出，故又稱為給定值。因為出口水溫直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量、效率及安全性，即本系統(tǒng)把換熱器出口水溫作為被控參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了高效地進(jìn)行生產(chǎn)，必須對生產(chǎn)工藝過程中的主要參數(shù)，如溫度、壓力、流量、速度等進(jìn)行有效的控制。被控參數(shù)是一個輸出參數(shù)，應(yīng)為獨(dú)立變量，與輸入量之間應(yīng)有單值函數(shù)關(guān)系。雖然在結(jié)構(gòu)緊湊性，傳熱強(qiáng)度和單位傳熱面積的金屬耗量方面它確實有著缺點(diǎn)，但是由于其優(yōu)點(diǎn)，使之能在近代出現(xiàn)的新興換熱器的今天，依然充滿生命力，居于統(tǒng)治地位。 換熱器構(gòu)造及工作原理 凡是用來使熱量從一種流體傳給另一種流體的設(shè)備，統(tǒng)稱為熱交換器， 簡稱換熱器。在雙容水箱液位控制系統(tǒng)中，將單容液位水箱控制系統(tǒng)試用成功的控制器參數(shù)應(yīng)用到雙容液位控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)中 ， 從仿真曲線的分析比較中 證明了控制器參數(shù)整定的重要性。通常對大多數(shù)的自動控制系統(tǒng)的動態(tài)過程出現(xiàn)衰減振蕩過程是人們所期望的，但也不宜過小 ，過小的話系統(tǒng)會趨向不穩(wěn)定。 本章小結(jié) 本章主要利用單、雙、三容水箱液位控制系統(tǒng)，簡要分析了液位控制系統(tǒng)工藝流程及其運(yùn)行過程的靜、動態(tài)特性，對常見的 PID 控制算法實施控制的原理進(jìn)行了分析與研究，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用 MATLAB 系統(tǒng)仿真工具對單、雙、三容水箱液位控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，研究了系統(tǒng)的運(yùn)行特性，對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的物理量進(jìn)行了控制，并且進(jìn)行了 PID 參 數(shù)的相關(guān)分析。當(dāng)下水箱液位接近或達(dá)到設(shè)定值時，此時減小甚至停止注水也為時已晚。 圖 是仿真得到的響應(yīng)曲線。當(dāng)控制閥突然開大，水的流入量階躍增多，水位開始上升。 入 水HL CL CQ 1Q 2 圖 三容水箱的控制方案 本系統(tǒng)可以看成是由三個單容對象串連構(gòu)成。 人工調(diào)節(jié)控制器參數(shù)，當(dāng)控制器參數(shù) Kp=13， Ki=,同時逐漸增大積分系數(shù) Kd，其仿真結(jié)果如圖 所示，在圖中分別為 Kd 等于 10， 100， 150 時的階躍響應(yīng)曲線。如果不符合要求，可適當(dāng)調(diào)整一下 ? ，直到達(dá)到滿意為止 [9]。根據(jù)上表 31給出的經(jīng)驗公式，可以算出采用不同類型控制 器使過渡過程出現(xiàn) 4： 1 振蕩的控制器參數(shù)值。 本設(shè)計中 雙容水箱的單回路控制系統(tǒng)的控制器采用 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律，模擬 PID 的控制模型表達(dá)式如下： sKsKKsTsTKsG dicdic ??????? 1)111()( 式 () 雙容水箱液位控制的 Simulink 建模如圖 所示： 圖 雙容水箱 Simulink 仿真模型 表 4： 1 衰減曲線法整定公式 控制器的參數(shù)用 4： 1 衰減曲線法整定。其單回路液位控制系統(tǒng)方框圖與圖 相同。 通過圖 的仿真曲線可以得出： Ki 越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但 Ki 過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若減小 ki 有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng) 靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 Kp 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，但將產(chǎn)生超調(diào)和振蕩甚至導(dǎo)致系 統(tǒng)不穩(wěn)定，因此 Kp 的值不能取的過大。 PID 控制器的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示： ])()(1)([)(0? ???t dip dttdeTdtteTteKtu 式 () 其中： u(t)—— 控制器的輸出； e(t)—— 控制器輸入，它是給定值和被控對象輸出值的差，稱偏差信號； Kp—— 控制器的比例系數(shù)； Ti—— 控制器的積分時間； Td—— 控制器的微分時間。 單回路控制方框圖如下圖 所示： 控 制 器 控 制 閥 水 箱變 送 器給 定偏 差 測 量液 位+ 圖 單容水箱控制方框圖 若水箱只是為了起緩沖作用而需要控制液位時，則控制精度要求不高，控制器選用簡單易行的 P 調(diào)節(jié)規(guī)律即可；若水箱作為計量槽使用時，則需要精確控制液位，即需要消除穩(wěn)態(tài)誤差，則可選用 PI 調(diào)節(jié)規(guī)律。 所以單容水箱的傳遞函數(shù)為 ： 170 )( ???? sTsKsG 式 () 控制方案 設(shè)計采用簡單的單回路控制系統(tǒng)，控制 方 案如圖 所示。 單容水箱液位控制系統(tǒng) 單容水箱數(shù)學(xué)模型 假如某單容液 位 過程如上圖 所示。 第三章 液位控制系統(tǒng)的仿真研究 液位控制問題是工業(yè)生產(chǎn)過程中的一類常見問題 ,例如飲料、食品加工、溶液過濾、化工生產(chǎn)等多種行業(yè)的生產(chǎn)加工過程都需要對液位進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤? 系統(tǒng)整定，一般是指選擇調(diào)節(jié)器的比例度δ、積分時間 TI和微分時間 TD的具體數(shù)值。合適的控制器參數(shù)會帶來滿意的控制效果，不合適的控制器參數(shù)會使系統(tǒng)質(zhì)量變壞。 如果被控對象傳遞函數(shù)可用1)( ?? ?TsKesG sp ?近似，則可根據(jù)對象的可控比τ /T 選擇調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律。 (2) 當(dāng)廣義對象控制通道時間常數(shù)較小，負(fù)荷變化也不大，而工藝要求無殘差時，可選擇比例積分動作。 控制器控制規(guī)律的選擇 通常，選擇調(diào)節(jié)器動作規(guī)律時應(yīng)根據(jù)對象特性、負(fù)荷變化、主要擾動和系統(tǒng)控制要求等具體情況，同時還應(yīng)考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性以及系統(tǒng)投入 方便等。 Ki越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越快，但Ki過大，在響應(yīng)過 程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象、從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)；若 Ki過小，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。另外，若引入微分作用，對于克服 τ c 對控制質(zhì)量 的影響有顯著的效果。當(dāng)需要增加控制作用時會使控制作用增加得太多，而一但需要減少控制作用時則又會使控制作用減少得太過分，因此導(dǎo)致系統(tǒng)的振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。 (3)純滯后τ 0和容量滯后τ c 的影響 控制通道的滯后包括純滯后τ 0 和容量滯后τ c 兩種。隨著控制通道時間常數(shù)的減小，系統(tǒng)工作頻率會提高，控制就較為及時，過渡過程也會縮短，控制質(zhì)量將獲得提高。如果反過來，? 小則不易調(diào)整。 上述結(jié)論只是對線性系統(tǒng)而言，而對于非線性系統(tǒng)，由于 0K 隨著負(fù)荷的變化而變化，這時如欲由 CK 來補(bǔ)償則有困難，因此，此時 0K 的變化將會影響系統(tǒng)的質(zhì)量。然而這是不對的。 干擾通道有、無純滯后對控制質(zhì)量沒有影響，所不同的只是兩者在影響時間上相差一個純滯后時間 f? 。如果引起輸出量較大波動的主要外擾動參量是可量測和可控制的，則可在反饋控制的同時，利用外擾信號直接控制輸出（實施前 饋控制），構(gòu)成復(fù)合控制能迅速有效地補(bǔ)償外擾對整個系統(tǒng)的影響，并利于提高控制精度。在該系統(tǒng)中可綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，將反饋控制不易克服的主要干擾進(jìn)行前饋控制，而對其他干擾進(jìn)行反饋控制，這樣，既發(fā)揮可前饋校正及時的優(yōu)點(diǎn)，又保持了反饋控制能克服多種干擾，并對被控變量始終給予校驗的優(yōu)點(diǎn)，因而是過程控制中較有發(fā)展前途的控制方式。 前饋 — 反饋控制系統(tǒng) 單純的前饋往往不能很好的補(bǔ)償干擾，存在著不少局限性，這主要表現(xiàn)在單純的前饋控制不存在被控變量的反饋，既對于補(bǔ)償?shù)男Ч麤]有檢驗 的手段，這樣，在前饋作用的控制結(jié)果并沒有最后消除被控變量偏差時， 系統(tǒng)無法得到這一信息而做進(jìn)一步的校正。 在設(shè)計和應(yīng)用前饋控制時，首先要了解擾動的性質(zhì)。 G f f ( s )G P D ( s )G P C ( s )F ( s )Y ( s ) 圖 前饋控制系統(tǒng)方塊圖 前饋控制系統(tǒng)特點(diǎn)： (1)前饋控制是按照干擾作用的大小進(jìn)行控制的，如控制作用恰到好處，一般比反饋控制要及時。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成；主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。 采用單回路比例積分控制系統(tǒng)即可抵制干擾因素對液位的影響，能滿足一般生產(chǎn)工藝對液位過程控制的要求。 第二章 過程控制系統(tǒng)概述 過程控制中常見的控制系統(tǒng) 單回路控制系統(tǒng) 單回路反饋控制系統(tǒng)簡稱單回路控制系統(tǒng)。如對 象特性測試、 PID參數(shù)測試、簡單系統(tǒng)的投運(yùn)、簡單均勻控制系統(tǒng)、串級控制系統(tǒng)的應(yīng)用、前饋 — 反饋系統(tǒng)的投運(yùn)等實驗內(nèi)容的數(shù)學(xué)模型。這是以前需要用編程語言明 確地用公式表達(dá)微分方程的仿真軟件包所無法比擬的。 同時， Simulink也為控制領(lǐng)域提供大量的仿真模型，以滿足控制領(lǐng)域不同用戶的需要。構(gòu)成新的工具包； (4)豐富的工具箱 最常用的有控制系統(tǒng) 工具箱、圖像處理工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、信號處理工具箱、小波工具箱等等 [4]。與 C、 Fortran、 Pascal等高級語言相比 。在我國，自動控制領(lǐng)域已廣泛地應(yīng)用這種語言。經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，它已日臻完善，在眾多 控制系統(tǒng)中，顯示出出類拔萃的風(fēng)范，因此，可以毫不夸張地說，分散控制系統(tǒng)是過程控制發(fā)展史上的一個里程碑。這階段的主要任務(wù)是克服干擾和模型變化，滿足復(fù)雜的工藝要求，提高控制質(zhì)量。第一階段是初級階段，包括人工控制，以古典控制理論為主要基礎(chǔ)，采用常規(guī)氣動、液動和電動儀表，對生產(chǎn)過程中的溫度、流量、壓力和液位進(jìn)行控制， 在諸多控制系統(tǒng)中，以單回路結(jié)構(gòu)、 PID 策略為主，同時針對不同的對象與要求，創(chuàng)造了一些專門的控制系統(tǒng)，如：使物料按比例配制的比值控制，克服大滯后的 Smith 預(yù)估器，克服干擾的前饋控制和串級控制等等，這階段的主要任務(wù)是穩(wěn)定系統(tǒng)，實現(xiàn)定值控制。過程控制技術(shù)發(fā)展至今天 , 在控制方式上經(jīng)歷了從人工控制到自動控制兩個發(fā)展時期。表征過程的主要參量有溫度、壓力、流量、液位、成分、濃度等。 Simulation。 在換熱器溫度控制系統(tǒng)中， 根據(jù)自動控制系統(tǒng)工藝過程 ，利用降階法確定了對象的傳遞函數(shù)。 利用 Matlab 的 Simulink軟件包 對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并 對仿真結(jié)果 進(jìn)行了深入的分析 。 在水箱液位控制系統(tǒng)中， 通過建立數(shù)學(xué)模型以及實驗中對實驗數(shù)據(jù)的分析，分別確定了單 容 、雙 容 、三容水箱對象的傳遞函數(shù)。在 軟件包 Simulink 中 搭建了單回路、串級、前饋 — 反饋控制系統(tǒng)模型， 分別采用 常規(guī) 的 PID、實際 PID 和 Smith 預(yù)估器 對系統(tǒng) 進(jìn)行了仿真研究 ， 通過 仿真 曲線的 比較 ，分析了 各 種控制系統(tǒng)的 特點(diǎn) 。 Water tanks。通過對過程參量的控制，可使生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的產(chǎn)量增加、質(zhì)量提高和能耗減少 [1]。在自動控制時期內(nèi)，過程控制系統(tǒng) 又經(jīng)歷了三個發(fā)展階段 , 它們是：分散控制階段